JP2002519981A - 反対位相の２個の可動部品を備えた電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２個の極Ｘｃを有する固定ステータを含む電磁アクチュエータを得る。 【解決手段】 ステータが、１個または２個の励磁コイルを有し、アクチュエータがさらに、ギャップの方向に沿って磁化された薄型永久磁石を備える可動部を含み、可動部が、反対方向にあるギャップの面および固定ステータの中央面の、交点に平行な方向に沿ってそれぞれ移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成されており、各可動部品が、柔軟な材料からなるヨークに結合するか、もしくは結合しない、交互に磁化された３個の薄型磁石を有し、前記可動要素のうちの一つの可動要素の薄型磁石が、第二の可動要素または隣接要素の対応する薄型磁石と反対方向に沿って磁化され、ヨークが、固定ステータ部品と共にギャップＥを画定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、往復運動を発生する電磁アクチュエータの領域に関する。

【０００２】

【従来の技術】

このようなアクチュエータは、周知のように、１個の中央極と、２個の側面極
とを含む。中央極は、励磁コイル、ならびにギャップの方向に沿って磁化される
薄型永久磁石を備えた可動部とを支持する。ドイツ特許第２６０３６８１号は、
このようなアクチュエータを記載している。このアクチュエータは、交流束を発
生する１個の固定コイルと、反対方向に移動する２個の可動磁石とを含む。実施
される電磁現象は、ラプラスの法則に対応するものである（磁石による磁束が、
コイルを通過する）。磁石は、反対向きに並置された複数対の薄型磁石ではなく
、コイルが形成する磁束と共にそれぞれ相互作用を及ぼす２個の棒磁石である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

従来技術によるこのようなアクチュエータは、次のような主な欠点を有する。
ラプラスの法則に対応する構造は、力／コイル供給電流の法則の線形性を補償で
きない。しかも、収量、すなわち、このようなアクチュエータに加えられる１ワ
ット当たりの力は弱い。線形性が欠如すると動作が不規則になり、このような線
形性欠陥を解消するための複雑な制御電子手段を設ける必要性が出てくる。

【０００４】 本出願人は、欧州特許第９３９１００８３号により、中央極を囲む３個のステ
ータ極と１個のコイルとを有するアクチュエータを開示し、こうした一般的な問
題に対する解決方法を提案した。この解決方法は、ラプラスの法則に対応しない
、根本的に異なる電磁構造を使用することからなる。提案された構造は、互い違
いの方向に並置した２対の薄型磁石が、ギャップ内で移動するものである。

【０００５】 従来技術の装置では、可動部の振動周波数が制限されることがある。周波数が
増加すると、散逸電力に対して解放力が損なわれ、欧州特許第９３９１００８３
．０号の適用により実現されるアクチュエータの性能が制限される。本発明の目
的は、電磁的な収量を増加できる構造を提案することにより振動周波数の限度を
広げることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

このために、本発明は、その最も一般的な意味において、２個の極を備えた固
定ステータを含む電磁アクチュエータに関し、前記ステータが、２個の極を供給
する少なくとも一つの励磁コイルを含み、アクチュエータはさらに、反対方向に
あるギャップの面および固定ステータの中央面の、交点に平行な方向に沿ってそ
れぞれ移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成された可動部を含み、各
可動要素が、ギャップの方向に沿って横に磁化された薄型永久磁石を備えるアク
チュエータにおいて、各可動要素が、柔軟な材料からなるヨークに結合するか、
もしくは結合しない、互い違いの方向に磁化された３個の薄型磁石を有し、前記
可動要素のうちの一つの可動要素の前記薄型磁石が、第二の可動要素の対応する
薄型磁石と反対方向に沿って磁化され、ヨークが、固定ステータ部品と共にギャ
ップＥを画定することを特徴とする。

【０００７】 有利には、可動部は、向かい合った２個の可動部品からなり、前記可動部品の
各々は、ほぼ一定のギャップＥを保持しながら動方向に沿って横遊び可能にする
ための弾性変形手段により、固定ステータに結合される。

【０００８】 好適な実施形態によれば、各可動部品と固定ステータとの結合は、ギャップの
面にほぼ垂直に延びる板ばねにより確保される。

【０００９】 他の変形実施形態によれば、ステータ極の長さＸｃは、可動部の行程Ｘに、ほ
ぼ長さＥだけ加えた長さ以上である。

【００１０】 好適には、中央極と、各側面極とを隔てる距離ｅは、Ｅがギャップの幅である
とき、０．５Ｅ以上である。

【００１１】 有利な実施形態によれば、アクチュエータは、可動部品を中央位置に戻そうと
するロック力を有する。

【００１２】 好適な実施形態によれば、各可動要素は、互い違いの方向に横に磁化された３
個の永久磁石に結合される可動ヨークからなる。

【００１３】 好適には、可動要素の３個の磁石の長さを合わせると、前記可動要素のヨーク
の長さより長い。

【００１４】

【発明の実施の形態】

本発明は、添付図に関する以下の説明を読めば、いっそう理解されるだろう。

【００１５】 まず、発明の二つの変形実施形態を概略的に示す第１図および第１’図に関し
て本発明を説明する。この発明は、２個のステータ極（１、２）を含む電磁アク
チュエータに関する。電磁アクチュエータは、２個のステータ極からなり、これ
らのステータ極は、第１図に関して示した変形実施形態では、それぞれが１個の
励磁コイル（３、４）を支持し、あるいは第１’図に関して示した実施形態では
、２個の極を供給する単一コイル（５）を支持する。本発明によるアクチュエー
タはまた、ギャップの方向に沿って磁化される薄型永久磁石を備えた可動部（６
）を含む。

【００１６】 本発明の目的は、サスペンションの戻し力と同符号の磁気解放力を備えた、高
周波往復運動を要する用途のための高性能かつ高信頼性の小型アクチュエータを
構成することにある。

【００１７】 第２図は、可動要素の一つの横断面図である。

【００１８】 本発明によるアクチュエータの可動部品は、反対方向にあるギャップの面およ
び固定ステータ部品の中央面の、交点に平行な方向に沿って移動する少なくとも
２個の独立可動要素から構成される。各可動要素は、横方向に交互に磁化された
３個の薄型永久磁石（１０、１１、１２）を有する。第２図に関して記載された
例では、磁石（１０〜１２）は、柔軟な材料からなるヨーク（１３）に結合され
る。各可動要素の薄型磁石（１０〜１２）は、隣接する可動要素の対応する薄型
磁石の方向と反対方向に磁化され、ヨークが、固定ステータ部品と共にギャップ
Ｅを画定する。

【００１９】 中央位置では、一つの可動部の３個の磁石（１０〜１２）の間の移行部がステ
ータの極と共に並べられている。従って、長さＬａ２は、ステータ極間の距離と
極Ｘｃの幅との和に等しい。

【００２０】 長さＬａ１は、磁石の容量を制限しながら、このようなアクチュエータが発生
する力を最適化することができる。中央ステータ極の長さＸｃは、可動部の行程
Ｘに、ほぼ長さＥを加えた長さよりも長いか、あるいはこの長さに等しい。

【００２１】 アクチュエータの外形寸法を増やさずに銅の容量を増やすために、２個のステ
ータ極（１、２）は、それらの固有の断面よりも小さい断面部分に続いている。
このように形成された部分の断面は、磁束が飽和せずに定格に移行できるように
決定される。

【００２２】 好適には、可動部（６）は、向かい合った２個の可動振動要素（運動量全体を
相殺する）からなり、各可動要素は、ほぼ一定のギャップＥを保持しながら動方
向に沿って横遊び可能にするための変形手段により、固定ステータに結合される
。２個のロータの反対方向の移動によって形成されるトルクをなくすために、２
個の半ロータと、１個の完全なロータとの使用により、第５図に記載されたよう
なトルクの成分全体をなくすことができる。

【００２３】 第３図は、側面磁石（１０、１２）の長さＬａ１に応じた、戻し力の変化曲線
を示している。この曲線は、長さＬａ２（Ｌａ２＝９ｍｍ）の単極磁石が発生す
る力に対する磁石の長さＬａ１に応じて、電流Ｆｎｉによる力の増加の割合を示
している。

【００２４】 第３図が示すように、所定の電流に対して形成される力は、長さＬａ１が長く
なると急速に増加する。これは、磁石がはみ出ていることを裏付けるものである
が、磁石の容量を最小化し、従ってコストを最小限にするには、必然的に、はみ
出しをできるだけ小さくしなければならない。何故なら、力も、それだけ速く限
界に向かう傾向があるからである。第３図はまた、中央位置にロータを戻そうと
する戻し力Ｆ０（電流の流れない力）の変化を示している。

【００２５】 本発明によるアクチュエータの場合、発生する力は、以下に等しい。 Ｆ＝２＊２Ｂ_ｒ・(Ｌ／Ｅ)・ＺｎＩ 第１図の実施形態 Ｆ＝２Ｂ_ｒ・(Ｌ／Ｅ)・ＺｎＩ 第１’図の実施形態 ここで、Ｂｒは磁石の残留磁化、Ｌは磁石の厚さ、Ｚは磁石の幅、Ｅは磁石を
含むギャップ、ｎＩは、一つまたは複数のコイルである。

【００２６】 可動要素の移動は、原則として線形である。しかしながら、本発明によるアク
チュエータは、円筒形に構成してもよい。この場合、可動要素は、この実施形態
では円筒形のギャップと同軸の円筒上に含まれる円弧に従って移動する。

【００２７】 第４図および第４’図は、本発明による円筒形のアクチュエータの２個の変形
実施形態である。

【００２８】 これらの変形実施形態は、単にコイル数が異なるだけである。すなわち第４図
に示された実施形態ではコイルが１個であるのに対し、第４’図に示された実施
形態ではコイルが２個である。

【００２９】 こうした円筒形の実施形態では、可動部（６）が、反対方向に回転移動する２
個の可動要素から構成される。各可動要素は、円弧形のヨーク（１３、２３）か
らなり、この可動要素の上に薄型磁石（１０、１１、１２）および（２０、２１
、２２）がそれぞれ固定される。これらの磁石も同様に円弧形である。磁化の向
きは径方向であり、同一ヨーク（１３）に固定された磁石（１０〜１２）と、隣
接する２個のヨーク（１３、２３）に固定される２個の隣接磁石（１０、２０）
または（１１、２１）または（１２、２２）とに対して、交互に行われる。

【００３０】 ステータは、２個の分枝を有し、これらの分枝は、湾曲分枝（２５）によって
結合されるステータ極（１、２）を形成する。

【００３１】 側面磁石（１０、２０）および（１２、２２）は、ヨーク（１３、２３）から
はみ出している。同一ヨークに固定される磁石（１０〜１２）の長さを合わせる
と、前記ヨーク（１３）の長さよりも長い。

【００３２】 第５図は、本発明によるアクチュエータの可動部の変形実施形態を示す。この
実施形態では、可動部が、妨害ねじりトルクをなくすために３個の部分からなる
３個の可動部品（１３、２３、３３）から構成されている。２個の外側可動部品
（１３、３３）は、機械的に結合される。中央可動要素（２３）の幅は、側面可
動要素の幅の和に等しい。有利には、ギャップ面にほぼ垂直に延びる板ばねによ
って、各可動要素と固定ステータ部分とを結合する。

【００３３】 第６図および第６’図は、それぞれ電流を流す場合と流さない場合の、力／位
置曲線を示す。二つのタイプのアクチュエータは、可動部品を中央位置に戻そう
とする静磁気力を有する。この力は、板ばねの剛性の一部を補正するために用い
られ、それによって応力を小さくすることができる。第６図は、可動要素の位置
に応じて、このようなアクチュエータが発生する力を示している。この力は、ゼ
ロではない電流ｎＩと、ゼロである電流（静磁気力）とに対して示されている。
第６図および第６’図では、磁石の複数の長さＬａ１に対して二つの力（それぞ
れ電流を流す場合と流さない場合の）が示されている。

【００３４】 第７図および第７’図は、本発明による筒形アクチュエータの２個の変形実施
形態の斜視図である。アクチュエータは、軸方向に対称である。この場合、ステ
ータ構造（４０）ならびにロータは、円筒タイプである。ロータ（４１）は可動
式であり、すなわち、円筒ステータ構造とロータとの曲率軸に対応する軸Ｙに従
って並進移動する。

【００３５】 第７図に示した例では、ステータは、励磁コイル（５）を配置する環状の内部
スペースを備えた、軟鉄からなる筒形部品である。二端（１、２）は、ステータ
極を構成する。

【００３６】 第７’図に示した例では、ステータは、励磁コイル（５）を配置する環状の外
部スペースを備えた、軟鉄からなる部品である。二端（１、２）は、ステータ極
を構成する。

【００３７】 ２個の可動部は、板ばねの上に懸架されている。

【００３８】 第８図および第８’図は、第７図を構成する断面に対応する、本発明による筒
形アクチュエータの２個の変形実施形態の展開図である。

【００３９】 ステータ（４０）は、中央部（４２）の断面が小さい円筒形の軟鉄部品から形
成されている。コイルは、この小断面の部分が画定する空洞に収容される。

【００４０】 磁化構造は、径方向に磁化された円弧形の３個の磁石からなる。中央の磁石（
１１、２１）は、２個の側面磁石（１０、２０及び１２、２２）よりも長い。磁
化構造は、反対の方向に振動する。ヨークは、第８’図に示されたように単一部
品（１３）から構成することができる。この場合、ヨークは固定されている。磁
束戻しヨークは、第８’図では、磁石に結合されない管である。これらの薄型磁
石は、厚みの方向に交互の向きに磁化される。好適には、磁石は希土類タイプで
あり、たとえば、等方性のプラスチック結合剤を含む、ネオジム−鉄−ホウ素Ｎ
ｄＦｅＢ磁石である。

【００４１】 ヨークはまた、半管をなす２個の部品（１３、２３）から形成することもでき
る。この場合、半管は各々、第８図に示したように磁化構造の一つに結合可能で
ある。

【００４２】 第９図および第９’図はそれぞれ、本発明による線形移動アクチュエータとそ
のステータの変形実施形態の斜視図である。第８図および第８’図では、ヨーク
の長さは必ずしも可動部品の全長に等しいわけではなく、３個の磁石の長さを合
わせた長さよりも短くてもよい。第８図に示された例ではステータの長さに等し
くなっている。

【００４３】 有効行程Ｃ全体のために、可動部品は、ステータ極の表面から短い距離のとこ
ろに維持することが望ましい。この機能は、変形結合または弾性結合により確保
できる。参考として示した例では、この機能は、ギャップ内の誘導の平均絶対値
に関与する牽引力と重ね合わせて交互にねじり動作する板ばねによって得られ、
板ばねは、永久磁石の面に垂直に延びるフィノックス（Ｐｈｙｎｏｘ、商品名）
等のばね鋼から製造される薄板からなる。

【００４４】 板ばねの形状と厚みは、可動部品をステータから適切な距離のところに維持し
、移動による応力に耐え、場合によっては、可動部品の共鳴振動数を固定するよ
うに決定される。交互のねじりによる疲労に適切に耐えられるようにするために
、複数の板ばねを並列配置することができる。

【００４５】 第８図では、第二の可動部品は第一の可動部品と同じであるが、但し、可動部
品が双方とも中央ステータ極に中心を合わせた休止位置にあるとき、磁石は、第
一の可動部の隣接磁石に逆向きに磁化されている。

【００４６】 ２個の可動部品は、磁石の極性が逆転しているので、反対方向に移動する。

【００４７】 反対位相で振動する２個の可動部品を使用すると、ステータの脚部を通る磁束
を少なくすることができる。これによって、第８’図に示すように、磁気損失を
減らし、従ってステータの外形寸法や質量を軽減可能である。第８’図では、可
動部品（１）および可動部品（１’）それぞれのシフト＋Ｚと−Ｚに対し、第８
図のアクチュエータでの磁石による磁束を示した。ステータの中央鉄心を通る磁
束は、可動部品（１）の下部に配置される長さＺの磁石端（２）によるものであ
り、この磁束は、同じく長さＺであるが磁化方向が（２）とは反対の磁石端（３
）で閉じる。可動部品（１’）の場合も同様であるが、（２）と（２’）ならび
に（３）と（３’）との極性が反対であるため、磁束は、可動部品（１）が形成
する方向とは逆方向にステータの中央鉄心を通過し、そのため、ステータの中央
で磁束がうち消される。

【００４８】 本発明は、上記の二つの実施形態に制限されるものではない。多数の変形実施
形態を検討することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の変形実施形態の概略図である。

【図１’】 本発明の別の変形実施形態の概略図である。

【図２】 可動要素の一つの横断面図である。

【図３】 側面磁石の長さに応じた戻し力の変化曲線を示すグラフである。

【図４】 本発明による円筒形アクチュエータの変形実施形態の斜視図である。

【図４’】 本発明による円筒形アクチュエータの別の変形実施形態の斜視図である。

【図５】 本発明によるアクチュエータの可動部の変形実施形態を示す図である。

【図６】 電流を流したときの力／位置曲線を示すグラフである。

【図６’】 電流を流さないときの力／位置曲線を示すグラフである。

【図７】 本発明による筒形アクチュエータの実施形態を示す斜視図である。

【図７’】 本発明による筒形アクチュエータの別の実施形態を示す斜視図である。

【図８】 本発明による筒形アクチュエータの変形実施形態を示す展開図である。

【図８’】 本発明による筒形アクチュエータの別の変形実施形態を示す展開図である。

【図９】 本発明による線形移動アクチュエータおよびそのステータの、変形実施形態の
斜視図である。

【図９’】 本発明による線形移動アクチュエータおよびそのステータの、別の変形実施形
態の斜視図である。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２個の極を備えた固定ステータを含む電磁アクチュエータで
   あって、前記ステータが、２個の極（１、２）を磁化する少なくとも１個の励磁
   コイル（３、４または５）を有し、アクチュエータはさらに、反対方向にあるギ
   ャップの面および固定ステータの中央面の、交点に平行な方向に沿ってそれぞれ
   移動する少なくとも２個の独立可動要素から構成された可動部（６）を含み、各
   可動要素が、ギャップの方向に沿って横に磁化された薄型永久磁石を備える電磁
   アクチュエータにおいて、各可動要素（６）が、柔軟な材料からなるヨーク（１
   ３）に結合するか、もしくは結合しない、互い違いの方向に磁化された３個の薄
   型磁石（１０、１１、１２）を有し、前記可動要素のうちの一つの可動要素の前
   記薄型磁石が、第二の可動要素または隣接要素の対応する薄型磁石（１０、１１
   、１２）と反対方向に沿って磁化され、ヨーク（１３）が、固定ステータ部品と
   共にギャップＥを画定することを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 【請求項２】 可動部は、向かい合った２個の可動部品からなり、前記可動
   部品の各々は、ほぼ一定のギャップＥを保持しながら動方向に沿って横遊び可能
   にするための弾性変形手段により、固定ステータに結合されることを特徴とする
   請求の範囲第１項に記載の電磁アクチュエータ。
3. 【請求項３】 各可動部品と固定ステータとが、ギャップの面にほぼ垂直に
   延びる板ばねにより結合されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の電磁
   アクチュエータ。
4. 【請求項４】 ステータ極（１、２）の長さＸｃは、可動部（６）の行程Ｘ
   に、ほぼ長さＥだけ加えた長さ以上であり、Ｘは、Ｘｃ以上であることを特徴と
   する請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
5. 【請求項５】 中央極（１１）と、各側面極（１０、１２）とを隔てる距離
   ｅは、Ｅがギャップの幅であるとき、０．５Ｅ以上であることを特徴とする請求
   の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
6. 【請求項６】 可動部品（６）を中央位置に戻そうとするロック力を有する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の電磁アク
   チュエータ。
7. 【請求項７】 各可動要素は、互い違いの方向に横に磁化された３個の永久
   磁石（１０、１１、１２）に結合される可動ヨークからなることを特徴とする請
   求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
8. 【請求項８】 可動要素（６）の３個の磁石（１０、１１、１２）の長さを
   合わせると、前記可動要素（６）のヨーク（１３）の長さより長いことを特徴と
   する請求の範囲第７項記載の電磁アクチュエータ。
9. 【請求項９】 可動部（６）は、残留トルクをなくすために３個の部分から
   構成される３個の可動部品（１３、２３、３３）からなり、２個の外側部品（１
   ３、３３）が機械的に連結され、中央の可動要素（２３）の幅が、側面の可動要
   素の幅の和に等しいことを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のいずれか一
   項に記載の電磁アクチュエータ。